（检测技术与自动化装置专业论文）工业现场网络构建及控制算法的研究与实现.pdf

东南大学硕士论文工业现场网络构建与控制算法的研究与实现 摘要 摘要 随着自动控制、计算机、通信、网络等技术的交叉发展，它们给自动控制系统结构带来了的重 大变革，使研究组建工业生产网络体系结构具有较高的理论价值和实际价值。另外，近三十年来， 模糊数学的飞速发展及其在控伟日领域的初步成功应用，正吸引着更多学者参与模糊控制的理论和应 用研究，模糊控制的潜在价值正在被人们所挖掘，它给：= i _ 业过程控制算法注入了新的生机。 本文在综述目前 ：业网络构建方法的基础上，提出了基于r s 4 8 5 总线的多智能仪表模糊温控系 统，设计了它的系统结构和通信协议的实现方法，并针对r s 4 8 5 总线的具体要求分别设计了下位机 智能测温仪表和上位机中具有模糊控制算法模块的组态软件。另外，本文在常见二维模糊控制器和 p i d 控制器两者的基础上提出了模糊控制与p i d 控制复合控制方法的研究观点，先后研究设计出了 f u z z y i 算法控制器、模糊p i d 自整定控制器和模糊p i d 分级控制器，并对它们分别进行了仿真研究。 最后前文的基础上，采用两台w t 1 0 0 智能测温仪、计算机和电加热炉等硬件组建了r s 4 8 5 网络实 验平台，并针对前文研究的f u z z y i 算法和p i d 算法进行了实际温度控制的对比实验研究，给出了实 验结果和结果分析。上述研究结果表明，本文提出的f u z z y - i 算法是可行的，网络的组建也是行之有 效的。摄后，本文对论文今后研究的发展方向提出了自己的个人建议。 关键词： 模糊控制f 1 ：业网络智能仪表组态软件 受墼兰堡! 堡兰 三些里塑旦塑塑垄皇丝型竺堕塑堡窒兰塞翌 塑茎 a b s t r a c t w i t ht h ef a s ld e v e l o p m e n to f f u z z yt h e o r ya n df u z z yl o g i cc o n t r o l l e rp r i m a r ys u c c e s sa p p l i a n c ei n c o n t r o lf i e l d si nr e c e n tt h i r 【y y e a r s ，m o r ea n dm o r es c h o l a r sb e g i nt oa t t a c ht h e m s e l v e st os t u d yf u z z y c o n t r o lt h e o r e t i c a l l ya n di t sa p p l i c a b l y f u z z yt h e o r yp o t e n t i a lv a l u ei sb e i n gf o u n ds ot h a tn e w e n e r g yi s b r e a t h i n gj n t oi n d u s t r i a lc o n t r o la r i t h m e t i c i na d d i t i o n w i t ht h ei n t e r c r o s sd e v e l o p m e n to fm a n ys u b j e c t s s u c ha sa u t oc o n t r o l ，c o m p u t e r , c o m m u n i c a t i o na n dn e t w o r kt e c h n o l o g y , i t b r i n g sg r e a tc h a n g e i n t os y s t e m s t r u c t u r eo fa u t oc o n t r o la n dm a k e sr e s e a r c ho f b u i l d i n gu pi n d u s t r yp r o d u c t i o nn e t w o r k s t r u c t u r ep o s s e s s h i g h e re x o t e r i cv a l u ea n dh i g h e rp r a c t i c a lv a l u e i nt h i sp a d e lb a s e do nc o m m o na r i t h m e t i co f t w od i m e n s i o n sf u z z yl o g i cc o n t r o l l e ra n dp i dc o n t r o l l e r an e wv i e w p o i n to fr e s e a r c hac o m p o s i t ec o n t r 0 1m e t h o da b o u tf u z z yl o g i cc o n t r o l l e ra n dp i dc o n t r o l l e ri s p r o p o s e d f r o mt h i sp o i n tv i e w , t h em e t h o d s o f f u z z y i ，f u z z ys e l f - a d j u s tp i d a n df c - p i dg r a d ec o n t r o l l e r a r ed e s i g n e da n da l s oi n v e s t i g a t e di nm a t l a b i na d d i t i o ni nt h ep a p e r , b a s e do ns u m m a r i z i n gp r e s e n t m e t h o do f s e t t i n gu pi n d u s t r yn e t w o r k ，m u l t ii n t e l l e c t u a li n s t r u m e n t sf u z z yc o n t r o ls y s t e mb a s e do nr s 一4 8 5 b u si sd e s i g n e d h o wt od e s i g nt h i ss y s t e ms t r u c t u r ea n di t sc o m m u n i c a t i o np r o t o c o l si sa l s oi n t r o d u c e d a i ma tt h ep a r t i c u l a rr e q u e s to fr s 4 8 5b u s ，i n t e l l e c t u a l i n s t r u m e n ti sd e s i g n e da n dc o n f i g u r a t i o ns o f t w a r e p o s s e s s i n gf u z z ya r i t h m e t i cm o d e li nc o m p u t e ri sp r o g r a m m e d o nt h eb a s i s ，r s 4 8 5n e t w o r ke x p e r i m e n t d e v i c ei sc o n s t i t u t e do f t w oi n t e l l e c t u a li n s t r u m e n t so f 、胛- 1 0 0 ，o n ec o m p u t e ，t w oe l e c t r i cf u m a c e sa n ds o o n t h e nf u z z y ia n dp i da r i t h m e t i ca r ee x p e r i m e n t e dp a r a l l e l e d ，a n dt h er e s u l t ss h o w t h a tf u z z y - ii sb e t t e r t h a np i da n dr s 4 8 5n e t w o r ki sv e r yp r a c t i c a l i no r d e rt od e e p e rr e s e a r c ht h et a s ko nt h i sp a p e rf o rt h e f u t u r e ，s o m ei n d i v i d u a ls u g g e s t i o n sa r ei l l u s t r a t e da tt h ee n do f t h i sp a p e r k e y w o r d s ： f u z z yc o n t r o li n d u s t r yn e t w o r k i n t e l l e c t u a li n s t r u m e n t c o n f i g u r a t i o ns o f t w a r e 2 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：童：f 邀日期：墨蛐。 关于学位论文使用授权的说明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档| 1 | 勺内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅利詹阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 羔迫翩签砬i 知期： 。m 3 、； 查塑尘笺堡土兰苎一一 三、业翌堑型望塑堡丝垫型竺鲨塑婴塞墨壅塾 塑二皇堕堡 第一章绪论 本章将重点阐述论文的研究背景和论文的研究内容。在日益追求完成高复杂度的控制任务和提 高生产效率的现代t 业化大生产的今天，为了适应这些工业控制要求迫切需要组建1 二业现场网络和 寻找更有效的控制算法。同时，控制、计算机、通信、网络等技术的迅猛发展开始为绢建工业现场 网络提供了可能。另一方面，模糊控制、遗传算法、神经网络等控制理论的发展和完善也为探索更 有效的控制算法奠定了良好的物质基础。在上述的研究背景下，本论文课题的研究内容将围绕现场 总线和d c s 集散系统展开讨论，研究基于r s 4 8 5 总线d c s 网络系统的组建方法，另一方面，将对 模糊控制算法进行理论研究，探索模糊控制算法的实际应用。 1 1 1 工业现场网络的研究背景 1 1 论文研究的背景 在我国随着计算机在1 ：业中的广泛应用，控制局域网络也逐步深入应用到各行各业之中。在 1 业化大生产的今天，现行的诸多控制系统，如果采用单机控制方式已越来越难以满足设备的控制要 求，冈为往往我们所控制的设备只是整个系统的一个基本单元，它既需要外部输入一些必要的信息， 同时，也需要向外部输出自身的运行参数和状态。所有这些都要求我们采用控制网络技术，将诸多 设备有机的连成一体构成一个复杂的控制系统，才能保证整个系统安全可靠高效的运行。同时，为 了便于工厂的各个部门对控制现场信息进行管理，组建控制局域网已成为现代化工业管理的迫切需 要”j 。 ：业现场网络的产生和发展有其客观的必然性，下面先回顾一下工业现场网络的发展历程， 然后介绍r 业现场网络组建的现状、目前存在的问题以及未来发展的趋势。 1 t 业现场网络的发展历程( 2 9 j 。 5 0 年代以前，由于当时的生产规模小、检测控制仪表尚处于发展的初级阶段，所采用的仅仅是 安装在生产设备现场、只具有简单测控功能的基地式气动仪表。其信号仅在本表内起作用，一般不 能传给别的仪表或系统即各测控点只能成为封闭状态，无法与外界沟通信息，操作人员需要通过生 产现场的巡视了解过程的状态。 随着生产规模的扩大，操作人员需要综合掌握多点的运行参数与信息，需要同时按多点的信息 实行操作控制，于是出现了气动、电动系列的单元组合仪表，出现了集中控制室。由于模拟信号的 传递需要一对一的物理连接，信号变化缓慢，提高计算速度与精度的开销和难度都较大，信号传输 的抗干扰能力也较差，人们开始寻求数字信号取代模拟信号，出现了直接数字控制。由于当时的数 字计算机技术尚不发达且价格昂贵，人们企图用一台计算机取代控制室的仪表盘，出现了集中式数 字控制系统。但由于当时的数字计算机的可靠性还较差，一旦计算机出现故障，会造成所有控制回 路瘫痪或生产停产的严重局面，这种危险的集中系统结构很难为生产过程所接受。 在7 0 年代中期，以采用4 c 技术( 计算机、通信、控制、c r t ) 为特征的集散型控制系统的出 现标志着工业现场网络的开端。随着计算机可靠性的提高和价格的大幅度下降，出现了数字调节器、 可编程控制器( p l c ) 以及由多个计算机递阶构成的集中、分散相组合的集散控制系统。它适应了 现代】：业的控制分散性和管理集中性的时代要求，采用标准化、模块化和系列化设计，由过程控制 级、控制管理级和生产管理级共同组成一个以通信网络为纽带的集中显示、操作和管理，控制相对 分散，配置灵活、组态方便的多级计算机网络系统结构。它是由计算机技术、信号处理技术、测量 控制技术、通信网络技术和人机接口技术等多学科相互发展和相互渗透的结晶，它不同于分散的仪 查堕查堂堡! 望兰 工业现场网络构建及控制算法的研究与实现 第一章绪论 表控制系统，又不同于集中式计算机控制系统，它吸收了以往控制方法的优点，在它们的基础上发 展起米的一j i j 系统：【程技术，具有很强的生命力和显著的优越性， 在2 0 世纪8 0 年代中期，国际上开始发展起来种新技术，即现场总线。所谓现场总线是应用 丁生产现场、在微机化测量控制设备之闯实现般向串行多节点数字通信的系统，也被称为开放式、 数字化、多节点通信的底层控制网络。现场总线导致了传统的控制系统结构的变革，形成了新型的 网络集成式全分布控制系统，即现场总线控制系统f c s ( f i e l db u sc o n t r o ls y s t e m ) 。这是继基地 式气动仪表控制系统、电动单元组合式、模拟仪表控制系统、集中式数字控制系统、集散式控制系 统d c s 斤的新一代控制系统。它已成为当今自动化领域技术发展的热点之一，被誉为自动化领域的 计算机局域网。它的出现标志着工业控制技术领域义一个新时代的开始，它将对该领域的发展产生 重要的影响，它在制造业、流程工业、交通、楼字等方面的自动化系统中具有“泛的应用前景f ”。 2 , 1 2 业现场网络的发展趋势 由于d c s 系统是基于封闭、专用的解决方案，它的自身闽有的这一缺点阻止了它的进步发展 和推j “。近二十年来，现场总线的发展势头非常迅猛有逐步取代d c s 系统的趋势，现场总线的发展 离不开臼动化仪表的进一步智能化”。自动化仪表是工业生产过程自动化的重要工具，两者是相辅 相成的，同时发展的。自动化仪表的发展过程，按时间大致可以划分为以下三个不同阶段： 第一阶段：3 0 4 0 年代，运用以单变量控制为主要目的古典控制理论，采用大尺寸的基地式仪 表，实现就地分散控制，以稳定产品质量，改善劳动条件，降低原料和能源消耗。 第二阶段：5 0 6 0 年代，运用以多变量控制、最优控制和自适应控制为主要目的的现代控制理 论，以单元组合式仪表构成集中控制系统，并将单元组合式仪表、巡回检测仪表和工业计算机相配 合组成控制系统，以适应工业设备大型化和连续化，实现集中控制和最优控制，提高设备工作效率 和生产的安全系数。整个系统分成现场设备和中央控制室两部分：现场设备通常包括检测和执行单 元仪表，控制室通常对单元仪表进行调节、记录和显示等功能，现场设备和中央控制室两部分的信 息通过o 1 0 m a 戏4 2 0 m a 等标准信号进行传递。 第三阶段：7 0 年代以后，开始以计算机通信技术为基础，运用大系统理论，采用人、中、小、 微型计算机等组成分级控制系统，简称集散控制系统，把单机控制、协调控制、最优控制和生产调 度结合起来，实现综合自动化。 自动化仪表的发展过程，按自身的特点也可划分为以f 三个阶段： 第一代仪表：是以指针显示为主的自动化仪表，它的特点是以模拟电路为基础，核心器件由分 立元卅：过度到集成运放，基本结构由基地式过度到单元组合式。 第一二代仪表：是以数字显示式仪表，此类仪表的基本原理是将模拟量转化为数字量进行测量， 并以数字形式显示和打印。因此，第二代仪表与第二代仪表相比，特点是仪表的显示功能由数字电 路实现，两者统称为传统仪表。 第三代仪表：是指智能仪表，这类仪表的特点是以微处理器为核心，能实现信号的检测、采集、 处理承1 分析。它的优点是测揖精度高，能够进行间接测量，能够自动校正，具有自动修正误差的能 力雨i 自诊断能力，能够实现复杂的控制功能。 纵观自动化仪表的发展阶段，仪表的智能化已成为现代工业仪表的发展方向和主流a 随着微处 理技术利信息技术的迅速发展，仪表的智能化正在不断提高，信息处理能力和通信能力也在不断增 强，这些功能为组建丁：业现场网络奠定了坚实的物质基础。这些以微处理器芯片为基础的各种智能 仪表，为现场信号的数字化以及实现复杂的应用功能提供了条件，奠定了坚实的物质基础。但不同 的厂商所提供的设备之间的通信标准不统一，严重束缚了工厂底层网络的发展。因此，要将不同的 厂商所提供的殴备遵从相同的标准互连成一致的通信系统首先必须制订相应的统一标准。现场总 线将朝着开放系统、统一标准的方向发展。目前，现场总线的标准有基金会总线、l o n w o r k s 、 p r o f f b u s 、c a n 、h a r t 等。 2 查堕叁堂堡主堡兰 工业现场网络构建及控制算法的研究与实现 第一章绪论 3 _ j ：业现场网络的现状和存在的问题 l ：业现场网络在我国起步较晚，发展较慢，目前正在被许多企业采用_ 丁业现场网络主要有d c s 系统干现场总线两种形式： ( a ) d c s 系统中，测量变送器仪表一般为模拟仪表，因而它是一种模拟数字混台系统。这种系统在 性能上较模拟仪表、集中式数字控制系统有了很大进步，可以在此基础上实现装置级、车间级的优 化控制。但是在d c s 系统形成的过程中，由于受计算机系统早期存在的系统封闭这一缺陷的影响， 各厂家的产品白成系统，不同厂家的设备不能连在一起，难以实现互换与互操作，组成更大范围信 息共享的网络系统存在很多困难。 ( b ) 新型的现场总线控制系统则突破了d c s 系统中通信由专用网络的封闭系统来实现所造成的缺 陷，把基于封仞j 、专用的解决方案变成了基于公开化、标准化的解决方案。即可以把来自不同厂商 而遵守同一协议规范的自动化设备，通过现场总线网络连成系统，实现综合自动化的各种功能；同 时把d c s 集中与分散相结台的集散系统结构变成新型的全分布式结构，把测控功能彻底下放到现 场，依靠现场智能设备本身便可实现基本控制功能。现场总线是新型的控制网络系统，具有很广阔 的发展空间，冈此，它非常值得研究和探索。 l _ 1 2 控制算法的研究背景 近、r 个世纪以来，自动控制理论经历了经典控制理论和现代控制理论两个重要的发展阶段。传 统控制理论的一个显著特点是单纯依靠纯数学解析的方法，然而，现代系统的复杂性、测量的不确 定性及系统动力学的不确定性常常使得传统的控制理论显得无能为力”3 。 1 9 6 5 年，美国控制论专家扎德( l a z a d e h ) 创立了模糊集合论，为描述、研究和处理模糊性现 象提供了数学工具。1 9 7 4 年，英国的马丹尼( e h ，m a m d a n i ) 把模糊控制语言用于控制并获得了成功， 标志着模糊控制的诞生。近十年来，模糊控制领域一系列出乎预料的成功，使人们坚信用语言描述 方法综合系统的巨大潜力。 对复杂的控制对象，采用传统的p i d 控制策略实现自动控制相当困难，必须采用人工智能控制 的一些控制思想，才能取得较好的控制效果。与传统p i d 控制方法相比，模糊控制具有许多优点， 它特别适合于那些难以建立精确的数学模型、非线性和大滞后的过程，因而模糊控制在当今得到人 们的极大重视并有了迅速的发展。 模糊控制在国外的蓬勃发展和成功应用极大的推动了我国对模糊控制的研究与应用。近年来我 国的许多学者也开始投入到模糊控制的研究中来，但研究取得的成果与日本等发达国家相比是极为 有限的。冈此，我国积极加快对模糊控制的研究是当务之急的一项重要任务。 1 2 本文研究的主要内容 i + 业现场的仪器仪表由于采用了单片机技术的设计使得智能化的程度越来越高，同时也使得工 业现场构建网络成为可能。但是单片机技术的应用除了硬件方面的支持外，还必须有相应的软件配 套。例如，单片机设计而成的温度控制仪，仪表的控制精度、控制速度等往往依赖于一套优越的控 制算法，而对于控制算法名目繁多，但真正在小型控制仪中的成功应用还不是很多，特别是对于高 精度、高速度的控制算法在国内小型仪表中的成功应用更是风毛麟兔。究其原因，矛盾主要由于小 型单片机内部的资源短缺，无法执行优越的控制算法所致。因此，工业现场网络和控制算法的研究 将是论文研究的主要内容。 1 2 1 工业现场网络的研究内容 随着计算机技术的发展，工业计算机控制系统的应用已非常普及。而智能仪表和现场总线等技 3 苎堡幽主堡兰 三些些堑堕塑塑堡丝丝! ! 苎鲨塑婴窒皇壅型苎二兰堕笙 术的引入则代表着一个网络时代的到来，成为工业控制的主流。目前，我国许多生产企业采用的主 要是d c s 系统和现场总线两种形式工业现场网络。其中d c s 系统由于山现较早，技术比较成熟， 因而它的应用比较j 泛。尽管目前国际上已出现多种现场总线通讯规范及相应的通讯接口软件，但 其系统造价对国内大蹙的中小企业来说仍显过高，这是现场总线在我国的应用受到限制的原因之： 另外，由丁现场总线技术在我国出现较晚。尤其在我国科技生产力不太发达的国情下，技术不能得 到充分的消化和有效吸收，这是现场总线的应用寥寥无几原因之二。r s 4 8 5 是般向、平衡传输线标 准接口，它以半双二l 方式通信，支持多点连接，允许创建多达3 2 个节点的网络( 某些驱动器模块可 增加至1 2 8 个) ，具有传输距离远( 最大传输距离为1 2 0 0 m ) ，传输速率快( 1 2 0 0 m 时为1 0 0 k b p s ) 等优点， 剐丁多站互连时，便于组建成本低廉、可靠性高及分布范围较大的总线网络。因此，r s 4 8 5 总线技 术在我国以其构造简单、维护容易、造价低廉和硬件资源丰富、配置灵活等特点仍在低成本的中小 型计算机控制系统中占据重要一席。 目前采用p c 与多台单片机构成的分布式系统、工业控制系统、数据传输系统等越来越受到广 泛应用。它既利用了单片机价格低、功能强、抗干扰能力好以及面向控制等优点构建适宜分布于工 业现场、使用方便灵活的监控站或下位机，又结合p c 丰富的软硬件资源，提供管理功能强大、人 机界面友好的操控平台。在这类应用系统中，稳定可靠、方便快捷的数据通信是实现应用系统功能 的基础和保障。因此，根据系统的实际工作环境条件，选择恰当的通信接口和协议，合理设计通信 软件和硬件控制电路就显得十分重要了。本课题将结合某一工程实验的实际特点，我们采用了r s 4 8 5 通信接口组建d c s 集散系统。通过总线现场网络的概念把对象的控制计算由上位机( 计算机) 来完 成，充分利用计算机计算速度快、精度高的优点，计算整定成功后再由计算机通过网络下传给f 位 机( 温度控制仪) 井使之独立工作，达到p c 机、小型机优势互补的目的。主机与从机之间采用分 布式网络结构，总线采用r s 4 8 5 串行接口标准，传送数据采用主从方式。 1 2 2 模糊控制算法的研究内容 基：r 经典理论的模拟技术限制了控制系统技术指标的提高，在现代控制理论中，采用计算机技 术以数字调= 挣器代替模拟的调：常器来校正系统特性，对提高系统性能具有一定的效果。而对于现代 自动控制系统而言，由于控制对象的复杂性，系统往往是非线性的多变量、多耦合和高维数的系统， 对象的特征( 参数和结构) 是时变的、不确定的，它难以用准确的数学模型描述，加上需处理的信息的 多样化、人数据量和系统环境的变化等因素，用传统的或现代控制技术都难以解决。因此，自动控 制与人l ：智能结台产生了第三代控制理论一智能控制技术，并迅速以其新颖丰富的思想和强有力的 求解能力，渗透到各个研究领域，在工程上的应用也逐渐增多”j 。 作为智能控制技术之一，模糊控制不需要建立对象的精确的数学模型，只需根据人工的经验或 统计形成其控制规则，避免了对象的不确定性、噪声及非线形、时变性等因素的影响，具有很强的 箨棒性，在自动控制中得到j 泛的应用。模糊控制的研究具有重要的理论和实践价值。首先，模糊 r 程在理论利实践中都是- n 年轻的科学，正处于不断发展和完善的阶段，去挖掘其潜力具有很高 的研究价值。其次，模糊控制虽然有其独特的优点，但它不是万能的控制算法也有自身的缺点，不 能逛朋于所有的控制领域，在实践中并不能完全取代所有的传统控制方法，因此，如何把模糊控制 和传统的控制方法相结合，形成一种新型的更有效的控制算法是非常值得探索和研究的。 论文中控制算法部分研究的问题重点是模糊算法的理论研究，包括模糊积分控制器的设计、p 1 d 算法参数的模糊整定的设计、模糊控制和p i d 控制的分级复合型控制器的设计。 论文中模糊控制在工业过程中的应用实验主要是把计算机作为控制p c 机完成模糊控制的计算 和控制。实现的基本思路为计算机唤醒r s 4 8 5 网络中某台智能温度测控仪索取测量值和设定值，经 过计算机中的模糊控制程序处理后计算出控制量，通过r s - 4 8 5 网络送给智能温度测控仪，再由智能 仪表的输出控制信号通过可控硅等进一步对加热炉实现温度的模糊控制。 4 苎鲎翌塑墅生型垒堑_ 二型坚坚型型笪塑堡壁丝型蔓些些竺塞皇壅堡 塑三兰三些塑堑型垫堕苎坐墨丝堡塞 第二章工业现场网络基本理论研究 2 1 1 工业网络定义1 9 2 1 工业网络的基本概念 在微机测控技术领域，要构成一个较大规模的测控系统都不可避免的要采用多机系统。由于微 机与微机间的通信距离可能是近程的( 几米之内) ，也可能是远程的，那么信息交换的数据通信方式 相应的也有两种( 1 ) 并行数据通信，它是指数据的各位同时进行传送( 发送或接受) 的通信方式。 优点是传递速度快；缺点是数据位有几位，就需要几根传送线。因此，在位数多和传送距离又较远 的场合就不宜采用并行通信；( 2 ) 串行数据通信，它是指数据一位一位顺序传送的通信方式。它的 优点是只需2 3 根传送线。大大降低了传送成本，特别适合于远距离通信；缺点是数据一位一位顺 序传送导致传递速度较慢。 现在单片机与计算机在结构、性能上、经济上为实现远程串口通信特别是多机系统提供丁很好 的条件，同时鉴于以上两种数据通信方式的特点，工业网络目前普遍采用的是串行数据通信方式。 因此，t 业网络通常定义为：在串行数据通信方式f ，采用控制网络技术，将诸多具有通信能力的 设备有机的连成一体构成一个网络系统，通过相互问的信息交换以实现复杂的控制和管理。所以本 文将重点研究基于串行通信方式的工业网络。 2 1 2 工业网络的基本原理1 1 5 l 1 工业网络串行通信的基本方式 | = 业网络串行通信的基本通信方式有两种：异步通信和同步通信，它们的通信原理为( 1 ) 异步 通信是指数据按一帧一帧( 包含一个字符代码或一个字节数据) 进行传送，每一帧的数据格式如下： 一个字符由起始位、数据位、奇偶校验位、停止位麸四个部分组成。起始位0 信号只占一位，用 第n 一1 图2 - i 异步通信的一帧数据格式 来通知接受设备一个待接受的字符开始到来，它还可以被用作同步接受端的时钟，以保证以后的接 受能止确进行。数据位可以是5 8 位。奇偶校验位也可省略，也可以作为多机通信中的地址数据标 识位。停止位可以表征字符的结束。规定用a s c i i 编码，字符为七位，加上一个起始位、一个奇偶 校验位、一个停止位，则一帧共十位。( 2 ) 同步通信是指在数据开始传送前用同步字符来指示，并 同步字符剖 ：厂 几匾匾匮匿 图2 - 2 同步通信的数据格式 由时钟米实现发送端和接受端同步，即检测到规定的同步字符后，f 面就连续按顺序传送数据，直 查塑叁堂塑：! 三望兰i 兰婴场刚络构建爨控制算法的研究与实现 第二章 工业现场网络的基本理论研究 到通信告一段落。因此，同步通信不用起始位、停止位，仅在数据块开始时用同步字符米指示，数 据格式如图所示。在同步传送时要求崩时钟来实现发送端和接受端同步，因此发送方除了发送数据 外，还要把时钟信号同时传送，因此传送速率高，硬件比较复杂。 串行通信按传送方式划分有三种形式：第一神形式是单向( 或单工) 配鼍，它只允许数据向一 个方向传送：第一种形式是半双向( 或半双【) 配置，它允许数据向两个方向中的任一方向传送； 第三种形式是全双向( 或全烈工) 配置，允许同时烈向传送数据。后两种串行通信传送方式在目前 的r 业控制领域应用非常广泛。 2 r 业网络串行通信的基本特点 单片机应用系统在很大程度上可以看作一台微机。因此，通常工业网络是指在计算机、p l c 、 单片机系统三者相互间组建一个控制局域网。在单片机应用系统相互通道接口中，主要是使用串行 通信方式。在设计串行通信接口时，主要考虑的问题是串行标准通信接口、传输介质、电平转换等 问题。同时，为了保证可靠的通信要求选择接口标准时，可靠性是贯穿整个设计中必须考虑的基本 原则，针对工业网络技术自身特点而言，须注意两点：( 1 ) 通信速度与通信距离。通常的标准串行接 口的电气特性都有满足可靠传输时的最火通信速度和传输距离指标。通常，这两个指标具有相关性， 适当的降低通信速度，可以提高通信距离，反之亦然。( 2 ) 抗干扰能力。通常选择的标准接口，在保 证不超过其使j = ；j 范围时都有一定的抗干扰能力，以保证可靠的信号传输。但在一些工业测控系统中， 通信的环境往往十分恶劣，因此在通信介质的选择、接口标准选择要充分注意其抗干扰能力，以及 抗干扰措施设施。例如，在长距离传输时，使用电流环技术，不仅使电流环路大大降低对噪声的敏 感程度，而且也便于在通信的两端处提供电气隔离。在高噪声污染环境中采用光纤介质进行数据传 输是解决噪声干扰、实现光电隔离最好的办法。 2 1 3 工业网络的拓扑结构 网络的拓丰 结构是指网络中节点的互联方式，在网络的拓扑结构中，星形、环形、总线形、数 形较为常见。在星形拓扑结构中，每个站通过点点连接到中央节点，任何两站之间通信都通过中央 点进行，这种拓扑结构采用集中式通讯控制策略，通信处理能力较低，适合要求终端密集的地方。 在杂环形拓扑中，网络中有许多中继器进行点点链路连接，构成一个封闭的环路，由于中继器可 以使用光纤，所以环形网络可提供更大的吞吐量，适合于工业环境。在总线型拓扑中，传输介质是 一条总线一l ：作站发送数据，所以其它站都能接受，树形拓扑是总线拓扑的扩震形式，传输介质是 不封闭的分支电缆。总线拓扑在工业环境中应用很广泛1 。 2 2 工业网络的发展现状 在f 业过程控制领域，工业网络在我国起步较晚，发展较慢，目前正在被许多企业采用工业现 场网络有d c s 系统和现场总线两种主要形式。下面分别加以介绍。 2 2 1 现场总线控制系统【3 】 1 现场总线的产生背景 随着微处理器与计算机功能的不断增强和价格的急剧降低，计算机与计算机网络系统的迅速发 展，而处于生产过程底层的测控自动化系统，采用以往的一对一连线用电压或电流的模拟信号进行 测控，或采用白封闭式的d c s 集散系统，均难以实现设备之间以及系统与外界之间的信息交换，使 自动化系统成为“信息孤岛”。要实现整个企业的信息集成，要实施综合自动化，就必须设计出一种 能在一r 业现场环境运行的、性能可靠的、造价低廉的通信系统，形成工厂底层网络，完成现场自动 6 查堕叁堂堡：! ，堡皇王些四场网络构建丝控制算法的研究与实现第一二章t 业现场网络的基本理论研究 化设备之间的多点数字通信，实现低层现场设备之间以及生产现场与外界的信息交换。现场总线就 是在这种需求的驱动下应运而生的。 现场总线导致了传统控制系统结构的变革，形成了新型的网络集成式全分布控制系统f c s ，它 适应了：j j 业控制系统向分散化、网络化、智能化发展的方向。它既是开放的通信网络，又是一种全 分布控制系统，它作为智能设备的跌系纽带，把挂接在总线上作为网络节点的智能设备连接成网络 系统，进一步构成自动化系统，实现基本控制、补偿计算、参数修改、报警、显示、监控、优化及 控管一体化的综合自动化功能。这是项以智能传感器、控制、计算机、数字通信、网络为主要内 容的综合技术。 2 现场总线的定义 现场总线技术是指将专用微处理器置入传统的测最控制仪表，使它们各自具有了数字计算和数 字通信功能，采用可进行简单连接的双绞线等作为总线，把多个测量控制、仪表连接成的网络系统， 并按公开、规范的通信协议，在位于现场的多个微机化测量控制设备之间以及现场仪表和远程监控 计算机之间，实现数据传送与信息交换，形成各种适应实际需要的自动控制系统。简而言之，它把 单个分散的测控设备变成网络节点，以现场总线为纽带，把它们连接成可以相互沟通信息、共同完 成白控任务的网络系统与控制系统。 新型的现场总线控制系统则突破了d c s 系统中通信由专用网络的封闭系统来实现所造成的缺 陷，把基于封闭、专用的解决方案变成了基于公开化、标准化的解决方案，即可以把来自不同厂商 而遵守同一协议规范的自动化设备，通过现场总线网络连成系统，实现综合自动化的各种功能：同 时把d c s 集中与分散相结合的集散系统结构变成新型的全分布式结构，把测控功能彻底下放到现 场，依靠现场智能设备本身便可实现基本控制功能。现场总线是新型的控制网络系统，具有很广阔 的发展空间，因此，它非常值得研究和探索。 3 现场总线的技术特点 现场总线系统在技术上具有以f 特点：系统的开放性、互可操作性与互用性、现场设备的智能 化与功能自治性、系统结构的高度分散性、对现场环境的适应性。 系统的开放性，开放是指对相关标准的一致性、公开性，强调对标准的共识与遵从。一个开放 系统，是指它可以与世界上任何地方遵守相同标准的其他设备或系统连接。通信协议一致公开，各 不同厂家的设备之间可实现信息交换。用户可按自己的需要和考虑，把不同供应商的产品组成大小 随意的系统。 互可操作性，是指实现互连设备问、系统问的信息传送与沟通；互用性，是指不同生产厂家的 性能类似的设备可实现相互替换。 现场设备的智能化与功能自治性，指将传感测量、补偿计算、工程量处理与控制等功能分散到 现场设备中完成，仅靠现场设备即可完成自动控制的基本功能，并可随时诊断设备的运行状态。 系统结构的高度分散性，指现场总线已构成一种新的全分散性控制系统的体系结构，从根本上 改变了d c s 集中与分散相结合的集散控制体系，简化了系统结构，提高了可靠性。 对现场环境的适应性，指工作在生产现场前端作为t 厂网络底层的现场总线，是专为现场环境 而设计的，可支持双绞线、同轴电缆、光缆、射频、红外线、电力线等，具有较强的抗干扰性，能 采用两线制实现供电与通信，并可满足本质安全防爆要求等。 4 现场总线的优点 由 现场总线的以上特点，特别是现场总线系统结构的简化，使控制系统从设计、安装、投运 剑正常运行及其检测维护都体现出优越性： ( 1 ) 节省硬件数最与投资。由于现场总线系统中分散在现场的智能设备能直接执行多种传感控 7 东南人学颂i j 论文 工业现场刚络构建及控制算法的研究与实现第二章工业现场网络的基本理论研究 制报警和计算功能，因而可减少变送器的数量，不再需要单独的调节器、计算单元等，也不再需要 d c s 系统的信号调理、转换、隔离等功能单元及其复杂的接线，还可以用工控p c 机作为操作站， 从而”h 省一火笔硬什投资。 ( 2 ) 节省安装费用。现场总线系统的接线十分简单，一对双绞线或一条电缆上通常可挂接多个 设备，冈而电缆、端子、槽盒、桥架的用量大大减少，连线设计与接头校对的工作量大大减少。当 需要增加现场控制设备时，无需增设新的电缆，可就近连接在原有的电缆上，既节省了投资，也减 少了设计和安装的工作鼍。 ( 3 ) 节省维护开销。由于现场控制设各具有自诊断与简单故障处理的能力，并通过数字通订l 将 相关的诊断维护信息送往控制室，用户可以查询所有设备的运行和诊断维护信息，以便早期分析故 障原因并快速排除，缩短了维护停工时间，同时由于系统结构简化，连线简单而减少了维护工作量。 ( 4 3 用户具有高度的系统集成主动权。用户可以自由选择不同厂商所提供的设备来集成系统， 避免因选择了某一品牌的产品而被“框死”了使用设备的选择范围，不会为系统集成中不兼容的协 议和接口而一筹莫展。 ( 5 ) 提高了系统的准确性与可靠性。由于现场总线设备的智能化、数字化，与模拟信号相比， 它从根本上提高了测量与控制的精确度，减少了传送误差。同时，由于系统的结构简单化，设备的 连线减少，现场仪表内部功能加强，减少了信号的往返传输，提高了系统的工作可靠性。 此外，由于它的设备标准化及功能模块化，因而还具有设计简单和易于重构等优点。 5 国际上几种有影响力的现场总线技术 自8 0 年代末以来，有几种现场总线技术已经逐步形成其影响并在一些特定的应用领域显示了自 己的优势。它们具有各自的特点，也显示了较强的生命力。对现场总线技术的发展己经发挥并将会 继续发挥较大作用。 基金会现场总线( f f ，f o u n d a t i o n f i e l d b u s ) 是在过程自动化领域得到广泛支持和具有良好发展 前景的技术。其前身是以f i s h e r r o s e m o u n t 公司为首的f o x b o r o 、横河、a b b 、西门子等8 0 家公司 制订的i s p 协议和以h o n e y w e l l 公司为首联合欧洲等地1 5 0 家公司制订的w o r l df i p 协议，1 9 9 4 年 这两大集团合并成立了现场总线基金会，致力于开发国际上统一的现场总线协议。它以i s o o s i 开 放互连模型为基础，取其物理层、数据链路层、应用层为f f 通信模型的相应层次，并在应用层上增 设用户层。他的主要技术包括f f 通信协议、用于完成开放互连模型中第2 7 层通信协议的通信栈、 川于描述设备特征、参数、属性和操作接e l i 的d d l 设备描述语言、设备描述字典、用于实现测量、 控制、i ：程量转换等戍用功能的功能块、实现系统组态、调度、管理等功能的系统软件技术开发以 及构筑集成自动化系统、网络系统的系统集成技术。 l o n w o r k s 是由美国e c h e l o n 公司推出并与摩托罗拉、东芝公司共同倡导于1 9 9 0 年正式公布而 形成的。它采用了i s o o s l 模型的全部七层通信协议，采用了面向对象的设计方法，通过网络变量 把网络通信设计简化为参数设置，被誉为通用控制网络。它采用的l o n t a l k 协议被封装在称为n e u r o n 的神经元芯片中而得以实现。集成芯片中有3 个c p u ，第一个用于完成i s o o s i 模型的第1 - 2 层功 能，称为媒体访问控制器，实现介质访问的控制与处理；第二个c p u 用于完成第3 6 层的功能，称 为网络处理器，实现网络变量的寻址、处理、背景诊断、路径选择、软件计时、网络管理，并负责 网络通信控n l r l 收发数据包等。第三个是应用处理器，执行操作系统服务与用户代码。芯片中还具 有存储信息缓冲医以实现c p u 之间的信息传递，并作为网络缓冲区和应用缓冲区。它广泛应用于楼 宇自动化、家庭自动化、保安系统、办公设备、交通运输、工业过程控制，另外，在开发智能通信 接口、智能传感器方面具有独特的优势。 p r o f i b u s 是德国国家d i n l 9 2 4 5 和欧洲e n 5 0 1 7 0 的现场总线标准，它由d p 、f m s 、p a 组 成p r o f i b u s 系列。其中，d p 型用于分散外设问的高速数据传输，适合于加工自动化领域的应用。 f m s 为现场信息规范，适用丁纺织、楼宇自动化、可编程控制器、低压开关等。p a 型则是用于过程 8 东南大学硕士论文工业现场网络构建及控制算法的研究与实现第二章工业现场网络的基本理论研究 自动化的总线类型，遵从i e c l l 5 8 2 标准。该技术是由西门子公司为主研制开发的，它采用o s i 模 型的物理层、数据链路层，f m s 还采用了应用层。传输介质为双绞线和光缆，最多挂接1 2 7 个站点。 c a n 是控制局域网络( c o n t r o la r e a n e t w o r k ) 的简称，最早由b o s c h 公司推出用丁- 汽车内部 测量与执行部什之间的数据通信，该总线规范现已被1 s o 国际标准组织制订为国际标准。c a n 协议 的模型结构只有三层，即只取o s i 底层的物理层、数据链路层和顶层的应用层。其信号传输介质为 烈绞线，通信速率最高达1 m b p s 4 0 m ，直接传输距离最远达l o k m 5 k b p s ，可挂接1 1 0 台设备。它的 信号传输采用短帧结构，每一帧的有效字节数为8 个，因而传输时间短，受干扰的概率低。当节点 严重错误时，具有自动关闭的功能，以切断该节点与总线的联系，使总线上的其他节点及其通信不 受影响，具有较强的抗干扰能力。由于得到了m o t o r o l a ，i n t e l ，p h i l i p ，s i e m e n c e ，n e c 等公司的支 持，它已广泛应用在离教控制领域。 6 现场总线在国内的发展现状 目前，世界上出现了上述多种现场总线的企业、集团或国家标准，遗憾的是这些标准并不完全 适合国内的中小型企业的生产情况这是由于我国控制技术基础薄弱，经济承受能力还不够等多方